KR20230012143A - 초단파 이하 주파수의 저강도 전자계를 이용한 암모니아 탈기 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 극초단파를 이용하는 종래의 유전 가열방식의 암모니아 탈기방법과는 달리 암모니아성 질소를 함유한 액체에 1 내지 300MHz의 주파수를 가진 1 내지 100V/㎝의 저강도 전자계를 형성시켜 비유전 가열방식으로 수온의 상승 없이 극성분자인 암모니아 분자의 회전 및 병진 확산을 증가시키므로 향상된 암모니아 탈기성능을 가지면서도 에너지 사용량이 절감된 암모니아 탈기방법 및 이를 위한 암모니아 탈기장치를 제공한다. 액체로부터 암모니아 탈기를 위하여 본 발명의 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계를 이용하면 암모니아 탈기 효율을 높이기 위하여 액체의 온도를 높이거나, 많은 양의 알카리 약품을 주입하여 pH를 높이거나, 탈기를 위해 많은 양의 공기를 주입할 필요성이 감소하여 경제적으로 높은 탈기효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
Description
본 발명은 유전가열이 일어나지 않는 초단파 이하 주파수의 저강도 전자계를 이용한 암모니아 탈기 방법과 장치에 관한 것으로 상세하게는, 암모니아성 질소를 함유한 액체에 1 내지 300MHz의 주파수를 가지는 1 내지 100V/㎝의 저강도 전자계에 노출시킴으로써 극성분자인 암모니아의 확산속도를 증가시켜 암모니아가 수용액으로부터 빠르고 경제적으로 탈기되도록 하는 방법과 장치에 관한 것이다.
고농도 암모니아성 질소를 함유한 폐수는 정밀화학, 금속제련, 반도체 등을 포함한 다양한 산업에서 발생한다. 또한, 농축산폐수, 분뇨, 하폐수슬러지, 음폐수 등에서도 유기질소가 혐기성분해되는 경우 고농도의 암모니아성 질소를 함유하기도 한다. 이러한 폐수들로부터 고농도 암모니아성 질소가 적절하게 처리되지 않고 자연계로 유출되면 질소순환을 왜곡시켜 자연 생태계의 항상성에 큰 부담을 줄 수 있다. 한편, 암모니아성 질소는 농작물의 생장을 촉진시키기 위하여 오래 동안 사용하여 온 비료의 주요 성분이다. 또한, 최근에는 수소에너지를 저장하는 매개체로 암모니아를 사용하는 방안도 연구되고 있다. 따라서 하폐수로부터 고농도 암모니아성 질소를 제거하여 회수하면 비료 원료 또는 수소에너지의 저장을 위한 매개체로 재사용이 가능하며, 자연환경 보전에 크게 기여할 수 있다.
수용액에서 암모니아성 질소는 암모늄 이온 또는 자유 암모니아 형태로 존재한다. 자유 암모니아는 헨리상수가 작은 가용성 기체이지만 휘발성이 높아 액상에서 기상으로 쉽게 이동할 수 있다(Quan 등, 2009). 따라서, 종래에는 액상의 자유 암모니아를 기상으로 이동시켜 제거하는 방법이 많이 사용되어왔는데 이를 암모니아 탈기라고 한다.
암모니아의 탈기과정에서 기상의 암모니아 분압이 낮다고 가정하면 액상으로부터 기상으로의 자유 암모니아 이동은 물질전달계수와 액상의 자유 암모니아 농도의 자연대수 값에 의해서 영향을 받는다(Quan 등, 2009). 또한, 탈기과정에서 자유 암모니아의 탈기성능은 기액계면에서의 물질전달율로서 나타낼 수 있다. 따라서, 암모니아성 질소의 탈기에 필요한 구동력을 크게 만들기 위해서는 액상의 자유 암모니아 분율을 높여야 한다. 또한, 기액계면에서 자유 암모니아의 물질전달율을 향상시키기 위해서는 기액계면의 면적을 크게 하고 자유 암모니아 분자의 확산을 촉진시키야 한다.
액상에 존재하는 암모니아성 질소의 자유 암모니아 분율은 pH가 증가하면 증가한다. 또한, 수온이 높아지면 열효과에 의해 분자들의 운동에너지가 커지게 되어 자유 암모니아 분자의 확산속도가 커지며, 액체의 난류도가 커지는 경우에도 기액계면의 암모니아 농도분극이 감소하고 이중막의 두께를 감소시킴으로서 확산속도가 커진다 (Kinidi 등, 2018).
따라서, 종래에는 기상으로 자유 암모니아 분자의 이동에 의한 탈기성능을 향상시키기 위하여 pH를 높여 자유 암모니아 분율을 높이고, 확산을 촉진시키기 위하여 수온을 증가시키고, 기포 형태의 많은 양의 공기를 액상에 공급하여 액체의 난류도와 기액계면의 면적을 증가시키는 방법들이 주로 사용되어 왔다(Yoon 등, 2008). 이로 인해 종래에 암모니아 탈기는 주로 pH 10.5 이상, 온도 60℃ 이상, 그리고 공기량 5 L/min 이상의 조건에서 많이 수행하여 왔다.
그러나, 고농도 암모니아를 함유한 폐수들의 pH가 낮고 산도가 높은 경우 pH를 10.5 이상으로 높이는데 많은 양의 알카리 약품이 필요하였으며, 폐수의 수온이 낮은 경우 인위적으로 수온을 높이거나, 많은 양의 공기를 사용하는 방법은 에너지 사용량을 크게 증가시키는 단점이 있다(Quan 등, 2009; Kinidi 등, 2018). 따라서, 폐수로부터 암모니아성 질소를 제거 및 회수하기 위한 암모니아 탈기법은 대상 폐수의 물리화학적 특성에 따라 효율성과 경제성 측면에서 자유롭지 못한 경우가 많았다.
한편, 전자기파는 통상 주파수에 따라 0.3 내지 3MHz는 중파, 3 내지 30MHz의 단파, 30 내지 300MHz의 초단파, 그리고 300MHz 내지 3GHz는 극초단파로 분류한다. 수용액에 극초단파를 조사하면 유전가열 현상에 의해 수온이 극격히 상승하여 암모니아 탈기를 촉진할 수 있다고 알려지고 있다(Lin 등, 2009). 극초단파는 고전압을 발진기에 인가하여 생성시킬 수 있다. 극초단파를 수용액에 조사하면 물이나 암모니아 같은 극성분자들의 격렬한 회전운동을 유발하게 되는데 이러한 회전운동이 이루어지는 동안 인접 분자들과 마찰에 의해 열을 발생시키게 된다. 이와 같이 극성분자들의 회전운동과 그로 인한 마찰열을 이용하여 수온을 상승시키는 방법을 유전가열이라 한다. 그러나, 극초단파를 이용하여 수용액을 유전가열하기 위해 필요한 에너지는 생성되는 열과 직접 비례하기 때문에 암모니아의 탈기과정에 매우 많은 에너지가 필요하다는 문제가 있다. 또한, 극초단파에 노출된 물질들은 쉽게 부식하기 때문에 극초단파를 사용하기 위해서는 탈기조를 내식성을 가진 특별한 재료로 제작하여야 한다는 단점이 있다.
극초단파 보다 주파수가 낮은 초단파를 사용하는 경우에도 유전가열 또는 유도가열 현상을 이용하면 폐수의 수온을 상승시켜 암모니아 탈기효율을 향상시킬 수가 있다. 그러나, 초단파를 이용한 유전가열이나 유도가열 모두 극초단파 방법과 같이 많은 에너지가 필요하기 때문에 탈기 현장에서 활용되기 어려운 한계가 있다. 여기서, 유도가열이란 코일에 전류를 공급하면 가열하고자 하는 금속에 와전류가 발생하고, 금속의 저항에 의해 발생된 줄열이 온도를 높이는 현상을 말하는 것으로 전자기 유도를 이용하여 금속물체를 가열시키는 방법을 의미한다.
한편, 수용액에 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도의 전자계를 형성시키면 유전가열에 의한 수온상승 없이 극성분자들의 회전, 병진운동에 의한 확산을 촉진시킬 수 있다. 본 발명은 수용액에서 전자기파의 주파수와 강도에 의존하는 극성분자들의 운동 및 확산 현상에 바탕을 둔 것으로써 암모니아성 질소를 함유한 폐수를 1 내지 300MHz의 주파수를 가진 1 내지 100V/cm의 저강도 전자계에 노출시켜 경제적으로 고성능의 암모니아 탈기를 달성하도록 하는 것을 특징으로 하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 명세서에서 언급된 선행기술문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다.
Quan, X., Wang, F., Zhao, Q., Zhao, T., Xiang, J., 2009. Air stripping of ammonia in a water-sparged aerocyclone reactor, J. Hazard. Mater. 170, 983-988. doi:10.1016/j.jhazmat.2009.05.083.
Kinidi, L., Tan, I.A.W., Wahab, N.B.A., Tamrin, K.F.B., Hipolito, C.N., Salleh, SF, 2018. Recent development in ammonia stripping process for industrial wastewater treatment, Int. J. Chem. Eng. 3181087, 14. doi:10.1155/2018/3181087.
Yoon, H., Lim, J.H., Chung, H.K., 2008. Ammonia removal model based on the equilibrium and mass transfer principles, Bull. Korean Chem. Soc. 29(3), 555-561. doi: 10.5012/bkcs.2008.29.3.555.
Lin, L., Yuan, S., Chen, J., Xu, Z., Lu, X., 2009. Removal of ammonia nitrogen in wastewater by microwave radiation. J. Hazard. Mater. 161, 1063-1068. doi:10.1016/j.jhazmat.2008.04.053.
본 발명은 종래의 암모니아 탈기방법의 탈기성능과 경제성 문제를 해결하기 위한 것으로, 암모니아성 질소를 함유한 액체를 유전가열이 일어나지 않는 초단파 이하 주파수의 저강도 전자계에 노출시켜 수온의 증가 없이 암모니아 분자의 회전 및 병진운동에 의한 확산을 촉진시킴으로서 상대적으로 낮은 pH, 낮은 온도, 적은 공기량의 조건에서도 고효율의 암모니아 탈기를 수행할 수 있는 방법과 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다.
본 발명은 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계를 이용한 암모니아 탈기방법으로서, 암모니아성 질소를 포함하는 액체를 탈기조에 주입하고 pH를 8 내지 11로 조절하는 단계; 흡수조에 산성용액을 채우는 단계; 상기 암모니아성 질소를 포함하는 액체에 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계를 형성시키는 단계; 및 20 내지 80℃의 온도에서 암모니아성 질소를 포함하는 액체에 기포형태의 공기를 유량 1 내지 10L/min으로 주입하여 탈기하는 단계;를 포함하는 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계를 이용한 암모니아 탈기방법을 제공한다.
상기 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계를 이용한 암모니아 탈기방법은 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계가 형성된 탈기조와 산성용액이 채워진 흡수조를 포함하는 암모니아 탈기장치에서 수행되는 것을 특징으로 하며 상기 암모니아 탈기장치는 상부가 밀폐되어 있는 탈기조; 상기 탈기조의 내부에 마주 보도록 이격 설치된 절연음극과 절연양극; 상기 절연음극 및 절연양극과 도선으로 연결된 펄스 발생기; 송풍기와 공기관으로 연결되어 있으며 탈기조 하단에 설치된 산기기; 및 상기 탈기조와 공기관으로 연결되어 있으며, 하단에 산기기가 설치된 흡수조;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 암모니아 탈기장치는 상기 펄스발생기를 이용하여 상기 탈기조에 설치된 절연음극과 절연양극 사이에 주파수가 1 내지 300MHz이며, 강도가 1 내지 100V/㎝인 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계를 형성시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 10.5 이상의 pH, 60℃ 이상의 온도, 그리고 5L/min 이상의 공기유량 조건에서 수행하는 재래식 암모니아 탈기법이나, 0.3 내지 3GHz 주파수의 극초단파를 이용하는 종래의 유전 가열방식의 암모니아 탈기방법과는 달리 암모니아성 질소를 함유한 액체를 1 내지 300MHz의 주파수를 가지며 1 내지 100V/㎝의 강도를 가지는 전자계에 노출시킴으로써 극성분자인 암모니아의 회전 및 병진 확산을 증가시켜 적은 에너지를 이용하여 향상된 암모니아 탈기효과를 달성하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 상기한 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계에 의해서 암모니아 탈기가 이루어지기 때문에 암모니아의 탈기가 이루어지는 동안 유전가열이 일어나지 않아 작은 에너지로 고성능의 탈기를 달성할 수 있어 매우 적어 경제적이다. 또한, 암모니아성 질소를 함유한 액체로부터 암모니아를 탈기하기 위하여 본 발명의 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계를 이용하면 암모니아 탈기 효율을 높이기 위하여 액체의 온도를 높이거나, 많은 양의 알카리 약품을 주입하여 pH를 높이거나, 탈기를 위해 많은 양의 공기를 주입할 필요성이 감소하여 경제적으로 높은 탈기효율을 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 암모니아 탈기장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 전자계 주파수에 따른 암모니아의 탈기효율이다.
도 3은 본 발명의 전자계 주파수에 따른 총괄물질전달계수의 변화곡선이다.
도 4는 본 발명의 암모니아 탈기에 대한 pH의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 암모니아 탈기에 대한 온도의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 암모니아 탈기에 대한 공기유량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 암모니아 탈기에 대한 전자계 강도의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 8는 본 발명의 전자계 강도와 주파수 변화에 따른 온도변화를 나타내는 그래프이다.
도 9은 본 발명의 전자계 강도와 주파수 변화에 따른 전력소비량의 변화이다.
도 2는 본 발명의 전자계 주파수에 따른 암모니아의 탈기효율이다.
도 3은 본 발명의 전자계 주파수에 따른 총괄물질전달계수의 변화곡선이다.
도 4는 본 발명의 암모니아 탈기에 대한 pH의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 암모니아 탈기에 대한 온도의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 암모니아 탈기에 대한 공기유량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 암모니아 탈기에 대한 전자계 강도의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 8는 본 발명의 전자계 강도와 주파수 변화에 따른 온도변화를 나타내는 그래프이다.
도 9은 본 발명의 전자계 강도와 주파수 변화에 따른 전력소비량의 변화이다.
본 발명은 암모니아성 질소를 함유한 액체를 유전가열을 일으키지 않는 1 내지 300MHz의 주파수를 가지며 1 내지 100V/㎝의 저강도 전자계에 노출시켜 극성인 암모니아 분자들의 회전 및 병진확산을 촉진시킴으로써 상대적으로 낮은 pH, 낮은 수온, 그리고 작은 공기량에서도 효율적으로 암모니아를 탈기시킬 수 있는 탈기방법 및 탈기장치에 대한 것이다.
종래의 10.5 이상의 pH, 60℃ 이상의 온도, 그리고 5L/min 이상의 공기유량 조건에서 수행하는 재래식 암모니아 탈기법은 알카리 약품 및 에너지 소모량이 많았으며 탈기효율이 낮았다. 또한, 0.3 내지 3GHz 주파수의 극초단파를 사용하여 수용액을 유전가열하여 수온을 높이는 종래의 탈기방법은 수용액의 수온상승에 비례하여 많은 양의 전기에너지가 소모되는 문제점이 있었다. 또한, 극초단파에 노출된 물질들은 대부분 쉽게 부식하기 때문에 극초단파를 사용하기 위해서는 탈기조를 내식성을 가진 특별한 재료로 제작하여야 한다는 제약이 있었다.
본 발명의 탈기방법은 탈기조에 암모니아성 질소를 포함하는 액체를 주입하고 pH를 8 내지 11로 조절하는 단계; 상기 암모니아성 질소를 포함하는 액체에 1 내지 300MHz 주파수를 가지는 1 내지 100V/㎝ 의 저강도 전자계를 형성시키는 단계; 상기 암모니아성 질소를 포함하는 액체에 1 내지 10L/min 유량의 공기를 기포형태로 주입하여 20 내지 80℃의 수온에서 암모니아를 고효율로 탈기하는 단계; 탈기조에서 탈기된 암모니아를 함유한 기체를 산성용액으로 채워진 흡수조에서 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 초단파 이하의 주파수를 가지는 저강도 전자계를 이용한 상기 암모니아 탈기방법은 전자계를 형성시킨 탈기조(10)와 산성용액으로 채워진 흡수조(23)를 구비한 암모니아 탈기장치에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 암모니아 탈기장치는 덮개(11)에 의해 밀폐되어 있으며 암모니아성 질소를 포함하는 액체로부터 암모니아를 탈기하는 탈기조(10); 상기 탈기조(10)의 액상에 마주 보도록 이격되어 설치된 절연음극(18)과 절연양극(19); 상기 절연음극(18) 및 절연양극(19)와 도선(13)으로 연결된 펄스 발생기(12); 상기 탈기조의 하단에 설치된 탈기조 산기기(17); 탈기조 공기관(16)에 의해 상기 탈기조 산기기(17)과 연결된 송풍기(14)를 포함하며, 탈기조 기체 배출관(21)에 의해 탈기조 기체 배출구(20)과 연결되어 상기 탈기조(10)에서 배출되는 기체에 함유된 암모니아를 흡수하는 흡수조(22)가 포함된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 암모니아 탈기장치를 이용하여 초단파 이하의 주파수를 가지는 저강도 전자계를 이용한 암모니아 탈기방법을 상세히 설명하면; 암모니아성 질소를 포함하는 액체를 상기 탈기조(10)에 주입하고 pH를 8 내지 11로 조절하는 1 단계; 산성용액을 흡수조(22)에 주입하는 2 단계; 상기 탈기조(10) 내부의 액체에 1 내지 300MHz의 주파수와 1 내지 100V/㎝의 강도를 가지는 전자계를 형성시키고, 20 내지 80℃의 온도에서 송풍기(14) 및 탈기조 산기기(17)을 이용하여 1 내지 10L/min 유량의 공기를 기포형태로 주입하여 암모니아를 탈기하는 3 단계; 및 상기 탈기조(10)에서 배출되는 암모니아가 포함된 기체를 흡수조(22)의 산성용액 내로 이동시켜 암모니아가 제거된 공기로 정화하는 4 단계를 포함한다.
상기 1 단계에서 암모니아성 질소를 포함하는 액체는 암모니아성 질소가 함유된 폐수일 수 있으며, pH를 8 미만으로 조절되면 암모니아 탈기 효율이 저하되어 탈기에 필요한 시간이 더 소요되며, pH가 11을 초과하도록 조절하더라도 암모니아 탈기 효율의 향상효과는 미미하다. 바람직하게는 pH가 9.5 내지 11로 조절될 수 있으며 보다 바람직하게는 pH가 10.5로 조절될 수 있다.
상기 2 단계에서 흡수조(22)에 채우는 산성용액은 8 내지 12%의 황산, 인산, 질산 등의 강산 용액일 수 있으며, 바람직하게는 10% 황산용액이다.
상기 3 단계에서 탈기조(10)의 온도는 20 내지 60℃, 공기유량은 3 내지 5L/min, 그리고 10 내지 50MHz 주파수를 가지는 5 내지 25V/㎝ 강도의 전자계를 액체에 형성시킬 경우 보다 경제적으로 암모니아 탈기를 수행할 수 있다.
상기 4 단계에서 흡수조(22)에 채워진 산성용액은 탈기조(10)로부터 유입되는 암모니아 함유 기체로부터 암모니아를 흡수하여 제거하는 역할을 수행하며, 암모니아가 제거된 기체는 흡수조 덮개(23)에 구비된 배출구(25)를 통해 외부로 배출된다.
본 발명의 암모니아 탈기장치를 상세히 설명하면 하기와 같다. 상기 탈기조(10)는 주입된 암모니아성 질소를 포함하는 액체 또는 폐수로부터 암모니아를 탈기하는 반응조이며, 상기 암모니아 흡수조(22)는 산성용액이 채워져 있으며 상기 탈기조(10)에서 배출되는 암모니아 함유 기체로부터 암모니아를 흡수하여 제거하는 반응조이다. 상기 탈기조(10)와 흡수조(22)는 동일한 구조를 가질 수 있으며 각각을 밀폐하는 덮개(11, 23)를 구비한다. 상기 탈기조 공기관(16)의 한쪽 끝은 송풍기(14)와 연결되고 상기 탈기조(10)의 하부로 드러난 다른 끝은 탈기조 산기기(17)과 연결된다. 상기 송풍기(14)는 상기 탈기조 공기관(16)을 통하여 공기를 탈기조(10)의 내부로 공기를 유입시키며 상기 공기는 탈기조 산기기(17)에 의해 기포 형태로 암모니아를 포함하는 액체 또는 폐수에 공급된다. 상기 공기 유입량을 조절하기 위하여 상기 공기 유입관에는 공기밸브(15)가 더 구비될 수 있다.
상기 탈기조(10)에 설치된 절연음극(18)과 양극전극(19)는 얇은 금속판의 표면을 유전물질로 코팅하여 제작할 수 있다. 상기 코팅에 사용하는 유전물질은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등의 고분자물질일 수 있으며, 세라믹 등의 무기물질 일수 있다. 절연음극(18)과 절연양극(19)은 탈기조가 환형 수직관 형태인 경우 서로 다른 직경의 관형태일 수 있다. 상기 직경이 서로 다른 관형태의 절연음극(18)과 절연양극(19)은 큰 직경 전극의 내부에 작은 직경의 전극을 미리 정해진 간격으로 이격시켜 쌍으로 1개 또는 다수를 탈기조(10) 내부에 설치할 수 있다. 상기 탈기조(10)가 사각 기둥 형태일 경우 절연음극(18)과 절연양극(19)는 사각판형일 수 있다. 이 경우 판형의 절연음극(18)과 절연양극(19)은 탈기조(10) 내부에 교대로 이격 설치될 수 있다. 절연음극(18)과 절연양극(19)의 이격거리는 펄스 발생기(12)의 인가전압을 전자계 강도로 나누어 결정할 수 있다.
상기 도선(13)을 이용하여 절연음극(18)과 절연양극(19)을 펄스 발생기(12)의 단자에 각각 연결하고, 펄스 발생기(12)에 전원을 공급하여 기동을 시작한 뒤 전압과 주파수를 설정하면 절연음극(18)과 절연양극(19) 사이의 액체 또는 폐수에 초단파 이하인 1 내지 300MHz의 주파수를 가진 1 내지 100V/cm의 저강도 전자계를 형성시킬 수 있다. 상기 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도의 전자계에 노출된 액체 또는 폐수에 포함된 극성 암모니아 분자들은 유전가열에 의한 수온의 증가없이 회전, 병진운동에 의한 확산이 촉진되어 암모니아가 송풍기(14)를 통해 공급된 기포형태의 공기로 빠르게 이동하여 탈기된다.
상기 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계에 의해 빠르게 탈기된 암모니아를 함유한 기체는 탈기조 기체 배출구(20)을 통해 배출된다. 상기 탈기된 암모니아를 함유한 기체는 탈기조 기체 배출관(21)을 통해 흡수조(22)로 이동한다. 상기 흡수조(22)는 상기 탈기조(10)와 동일한 구조를 가질 수 있으나 절연전극을 구비하고 있지 않다는 차이점이 있다. 상기 흡수조(22)는 산성용액으로 채워져 있으며, 탈기조(10)에서 이동한 암모니아 함유 기체가 흡수조 산기기(24)를 통과하여 미세 기포 방울의 형태로 흡수조(22)의 산성용액에 공급된다. 이때 대부분의 암모니아는 산성용액에 흡수되어 제거되며, 암모니아가 제거된 잔류기체는 흡수조 덮개(23)에 구비된 흡수조 기체 배출구(25)를 통해 외부로 배출된다.
하기에서 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
실시예
1. 암모니아 탈기조 및 흡수조
아크릴 수지로 제작된 유효부피 0.5L(D 8.5㎝ × H 10㎝)의 원통형 탈기조(10)와 흡수조(23)를 포함하는 암모니아 탈기 장치를 준비하였다(도 1).
상기 탈기조(10)의 상부에 탈기조 덮개(11)를 설치하고 중심부에 탈기조 공기관(16)을 설치하였다. 탈기조(10) 중심부 하단에 탈기조 공기관(16)으로 송풍기(14)와 연결시킨 탈기조 산기기(17)을 설치하여 기포 형태로 공기를 공급할 수 있도록 하였다. 상기 공기관(16)은 공기밸브(15)를 설치하여 공기량을 제어할 수 있도록 하였다. 상기 탈기조(10) 내벽과 중심에 각각 절연음극(18)과 절연양극(19)를 설치하였다. 상기 환형의 절연음극(18)과 양극전극(19)는 티타늄 호일의 표면을 유전물질인 PET(polyethylene terephthalate)로 코팅하여 제작하였다.
암모니아성 질소를 함유한 액체를 탈기조(10)에 채운 후 상기 액체에 설치된 절연음극(18)과 절연양극(19)을 도선을 이용하여 펄스 발생기(13)의 출력단자에 연결하였다. 상기 액체에 주파수가 영인 정전계를 형성시키는 경우 펄스 발생기(13) 대신에 직류전원공급장치를 이용하였다. 탈기조 덮개(11)에는 탈기된 암모니아 함유 기체가 배출될 수 있도록 탈기조 기체 배출구(20)을 설치하였다.
상기 흡수조(22)는 상부에 흡수조 덮개(23)을 포함하여 상기 탈기조(10)와 동일한 형태를 가지지만 절연전극은 설치하지 않았다. 탈기조 기체 배출관(21)을 이용하여 탈기조 기체 배출구(20)를 흡수조 하단에 설치된 흡수조 산기기(24)에 연결하였다. 흡수조(22)에는 탈기된 암모니아가 흡수될 수 있도록 황산 10% 용액 0.5L를 채웠다. 암모니아가 제거된 기체는 흡수조 기체 배출구(25)를 통해 배출되며 암모니아 탈기실험이 진행되는 동안 탈기조의 수온은 수욕조를 이용하여 제어하였다.
2. 암모니아성 질소를 함유한 폐수의 탈기성능 시험
증류수 1L에 NH4Cl 3.819g을 주입하여 1,000mg/L의 암모니아성 질소를 함유한 인공폐수를 준비하였다. 암모니아 탈기조에 준비된 폐수 0.5L를 주입하고 전압원을 이용하여 전극 사이에 시험 목적에 의해 미리 정해진 강도(V/㎝)와 주파수(MHz)의 초단파 전자계를 형성시킨 뒤 공기를 주입하여 암모니아 탈기 실험을 수행하였다.
탈기조에서 탈기가 진행되는 동안 시간에 따른 암모니아성 질소의 농도 변화를 모니터링하여 탈기성능을 평가하였다. 또한, 기체상에서 암모니아의 분압이 매우 낮다고 가정하여 탈기시간에 따른 암모니아성 질소의 로그 농도변화율을 나타내는 아래 수학식 1에 적합시킴으로서 총괄물질전달계수(KLa)를 구하였다. 또한, 이를 이용하여 암모니아 분자의 확산속도를 산정하였다.
[수학식 1]
상기 [수학식 1]에 있어서, CL,A0는 암모니아의 초기농도(mg N/L)이며, CL,At는 t 시간(분) 탈기 후의 암모니아성 질소농도(mg N/L)를 의미한다.
3. 실험결과
[도 2]는 본 발명의 10V/㎝의 전자계 강도에서 실시한 암모니아 탈기실험에서 전자계 주파수(MHz)에 따른 암모니아의 탈기효율을 보여준다. 상기 실험은 pH 10.5인 폐수를 대상으로 강도 10V/㎝의 전자계를 형성시켜 탈기효율을 측정하되 주파수를 0, 0.2, 1.0, 10 또는 50MHz로 변경하여 주파수에 의한 영향을 시험한 결과이다. 상기 실험에서 수온과 공기 유량은 각각 22±1℃ 및 1L/min으로 고정하였다.
[도 2]의 결과에서는 암모니아 탈기효율은 전자계의 주파수가 증가함에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있다. 추가적인 실험결과에 따르면, 0MHz 내지 200MHz 범위에서 주파수 증가에 따른 뚜렷한 수온 증가는 나타나지 않았으며, 총 전력소모량은 23 내지 25W로서 펄스 발생기의 구동전력 23W를 고려하면 전자계 형성에 따른 에너지 소모량은 매우 작았다. 펄스 발생기에서 소모되는 전력은 전극면적이 커짐에 따라 증가할 수 있으나 그 값은 유전가열에 필요한 전력과 비교할 수 없을 정도로 작다.
[도 3]은 본 발명의 10V/㎝ 강도의 전자계에서 주파수(MHz)에 따른 총괄물질전달계수의 변화곡선이다. 상기 실험은 pH는 9.5, 온도는 22℃, 공기유량은 1L/min로 고정한 후 10V/㎝의 강도의 전자계를 이용하되 주파수를 0, 0.2, 1.0, 10 및 50MHz로 변경하여 총괄물질전달계수를 분석한 결과이다.
[도 3]의 결과에 의하면 초단파 이하 주파수의 전자계를 사용하지 않은 대조구의 총괄물질전달계수는 7.5×10-4/min으로 매우 작은 것으로 확인되었다. 이에 반하여 전자계강도 10V/㎝에서0.2MHz 저주파를 사용하였을 때 총괄물질전달계수가 약 2배 가량 증가하는 것이 확인되었다. 또한, 1MHz 전자계에서는 총괄물질전달계수가 약 4.7배 가량 증가하였으며, 50MHz 전자계에서는 총괄물질전달계수가 55.3×10-4/min으로서 대조구의 약 7.4배 가량 증가하는 것이 확인 되었다. 그러나, 전자계의 주파수를 10MHz 이상으로 상승시키는 경우 암모니아 탈기를 위한 총괄물질전달계수가 점차 포화되어 증가 정도가 완만해 지는 것이 확인되었다.
[도 4]는 본 발명의 전자계 강도 10V/㎝ 그리고 주파수 1MHz 조건에서 평가한 pH에 따른 암모니아 탈기효율을 보여준다. 상기 결과는 온도는 22℃ 그리고 공기유량은 1L/min로 고정 한 후 pH를 9.5 내지 11로 변경하여 암모니아의 탈기효율을 시험하여 구한 것이다. 그 결과 전자계 하에서 암모니아 탈기효율은 pH 가 9.5, 10.5 및 11로 증가함에 따라 증가하는 것이 확인되었다.
[도 5]는 본 발명의 10V/㎝ 및 1MHz의 전자계에서 온도에 따른 암모니아 탈기효율을 보여준다. 상기 결과는 pH과 공기유량을 각각 10.5 및 1L/min으로 그리고 전자계 강도 및 주파수를 각각 10V/㎝ 및 1MHz 로 고정한 후 22, 32, 43 또는 59℃의 수온에서 암모니아의 탈기효율을 각각 시험하여 구하였다. 실험결과 22℃에서 암모니아 탈기효율은 전자계 조건에서 크게 향상되었으며, 22 내지 59℃의 범위에서 온도가 증가함에 따라 더욱 증가하는 것이 확인되었다.
[도 6]은 본 발명의 10V/㎝ 및 1MHz 전자계 조건에서 공기유량에 따른 암모니아 탈기효율을 보여준다. 상기 결과는 pH 10.5, 온도 22℃, 그리고 전자계의 강도 및 주파수 10V/㎝ 및 1MHz로 고정한 후 공기유량 0.5, 1.0, 2.0, 4.0L/min에서 각각 시험하여 구한 것이다. 실험결과 암모니아 탈기효율은 0.5L/min 내지 4L/min 범위에서 공기유량에 비례하여 증가하는 것이 확인되었다. 특히, 공기유량 0.5L/min의 전자계 조건에서 암모니아 탈기효율이 공기유량 1L/min의 비전자계 조건에서 암모니아 탈기효율 보다도 크게 개선된 결과를 보였다.
[도 7]은 본 발명의 1MHz 주파수를 가지는 전자계를 사용하였을 때 전자계의 강도에 따른 암모니아 탈기효율을 보여준다. 상기 결과는 pH와 온도, 공기유량을 각각 10.5, 22℃, 1L/min로 고정한 뒤, 1MHz 주파수의 전자계를 이용하여 5, 10 또는 15V/cm의 강도에서 암모니아의 탈기효율을 각각 평가한 것이다. 실험 결과 암모니아 탈기효율은 전자계가 없는 대조구에 비하여 크게 높았으며, 5 내지 15V/㎝ 범위에서 전자계 강도가 증가함에 따라 증가하는 것이 확인되었다.
상기 실험 결과를 통하여 pH, 온도, 공기유량, 전자계 강도 및 주파수를 각각 10.5, 60℃, 4L/min, 15V/cm, 50MHz에서 수행하였을 때 120분 이내에 99%의 암모니아 탈기효율을 달성할 수 있었다.
[도 8]는 본 발명의 전자계 강도와 주파수 변화에 따른 온도변화이다. 패널 A)는 공기유량과 전자계 주파수를 각각 1L/min 및 1MHz로 고정하고 전자계 강도 5, 10, 15V/cm에서 각각 180시간 동안 탈기를 수행하며 측정한 온도변화이며; 패널 B)는 공기유량과 전자계 강도를 각각 1L/min 및 10V/㎝로 고정하고 주파수 1, 10, 50MHz에서 각각 180시간 동안 탈기를 수행하는 동안 측정한 온도변화이다.
상기 실험에서 초기 수온은 약 22℃이었으며 탈기시험이 진행되는 동안 상기 두 조건에서 의미있는 온도변화는 관측되지 않았다. 상기 결과는 본 발명의 조건으로 암모니아 탈기를 수행하도라도 유전가열이 일어나지 않는다는 것을 나타낸다.
[도 9]은 본 발명의 전자계 강도와 주파수 변화에 따른 전력소비량의 변화를 보여준다. 펄스 발생기의 대기전력은 약 22W이었으며, 전자계 강도 1V/㎝에서 주파수를 0.01내지 200MHz까지 증가시켜 시험한 결과 펄스발생기의 대기전력을 제외한 전력소모량은 1W 내외로 매우 작았다. 또한, 전자계 강도 10V/㎝에서 주파수를 1내지 80MHz까지 증가시켜 시험한 결과 전력소모량은 주파수에 따라 증가하였으나, 80MHz에서 펄스발생기의 대기전력을 제외한 전력소모량은 5W에 불과하였다. 상기 결과는 본 발명의 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계를 이용하면 경제적인 암모니아 탈기가 가능함을 나타낸다.
본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다.
10: 탈기조 11: 탈기조 덮개
12: 펄스 발생기 13: 도선
14: 송풍기 15: 공기밸브
16: 탈기조 공기관 17: 탈기조 산기기
18: 절연음극 19: 절연양극
20: 탈기조 기체 배출구 21: 탈기조 기체 배출관
22: 흡수조 23: 흡수조 덮개
24: 흡수조 산기기 25: 흡수조 기체 배출구
12: 펄스 발생기 13: 도선
14: 송풍기 15: 공기밸브
16: 탈기조 공기관 17: 탈기조 산기기
18: 절연음극 19: 절연양극
20: 탈기조 기체 배출구 21: 탈기조 기체 배출관
22: 흡수조 23: 흡수조 덮개
24: 흡수조 산기기 25: 흡수조 기체 배출구
Claims (4)
- 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계를 이용한 암모니아 탈기방법으로서,
암모니아성 질소를 포함하는 액체를 탈기조에 주입하고 pH를 8 내지 11로 조절하는 단계;
흡수조에 산성용액을 채우는 단계; 상기 암모니아성 질소를 포함하는 액체에 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계를 형성시키는 단계; 및
20 내지 80℃의 온도에서 암모니아성 질소를 포함하는 액체에 기포형태의 공기를 유량 1 내지 10L/min으로 주입하여 탈기하는 단계;를 포함하는 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계를 이용한 암모니아 탈기방법.
- 제 1 항에 있어서 상기 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계를 이용한 암모니아 탈기방법은 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계가 형성된 탈기조와 산성용액이 채워진 흡수조를 포함하는 암모니아 탈기장치에서 수행되는 것을 특징으로 하는 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계를 이용한 암모니아 탈기방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 암모니아 탈기장치는,
상부가 밀폐되어 있는 탈기조;
상기 탈기조의 내부에 마주 보도록 이격 설치된 절연음극과 절연양극;
상기 절연음극 및 절연양극과 도선으로 연결된 펄스 발생기;
송풍기와 공기관으로 연결되어 있으며 탈기조 하단에 설치된 산기기; 및
상기 탈기조와 공기관으로 연결되어 있으며, 하단에 산기기가 설치된 흡수조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계를 이용한 암모니아 탈기방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 암모니아 탈기장치는 상기 펄스발생기를 이용하여 상기 탈기조에 설치된 절연음극과 절연양극 사이에 주파수가 1 내지 300MHz이며, 강도가 1 내지 100V/㎝인 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계를 형성시키는 것을 특징으로 하는 초단파 이하의 주파수를 가진 저강도 전자계를 이용한 암모니아 탈기방법.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020210092559A KR20230012143A (ko) | 2021-07-15 | 2021-07-15 | 초단파 이하 주파수의 저강도 전자계를 이용한 암모니아 탈기 방법 및 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210092559A KR20230012143A (ko) | 2021-07-15 | 2021-07-15 | 초단파 이하 주파수의 저강도 전자계를 이용한 암모니아 탈기 방법 및 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230012143A true KR20230012143A (ko) | 2023-01-26 |
Family
ID=85110772
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210092559A KR20230012143A (ko) | 2021-07-15 | 2021-07-15 | 초단파 이하 주파수의 저강도 전자계를 이용한 암모니아 탈기 방법 및 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230012143A (ko) |
-
2021
- 2021-07-15 KR KR1020210092559A patent/KR20230012143A/ko not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Kinidi, L., Tan, I.A.W., Wahab, N.B.A., Tamrin, K.F.B., Hipolito, C.N., Salleh, SF, 2018. Recent development in ammonia stripping process for industrial wastewater treatment, Int. J. Chem. Eng. 3181087, 14. doi:10.1155/2018/3181087. |
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